Feldbus – Die Datenautobahn

Will man sich über das Themengebiet der Automatisierung informieren, kommt man heutzutage nicht mehr um den Begriff des Feldbus herum. Das liegt vor allem an der ständig wachsenden Zahl von elektronischen Komponenten in beinahe allen Lebensbereichen. Doch was ist unter einem Feldbus genau zu verstehen und woher kommt die große Verbreitung? Was ist die Aufgabe der Feldbusse und wie funktionieren diese Kommunikationsnetze? Diese und weitere Fragen wollen wir in diesem Blogpost beantworten.

Verkabelung Schaltschrank

©Hans-Peter Reichartz / pixelio.de

Das Ende der klassischen Verdrahtung

Bei einem Feldbus handelt es sich um ein System, welches verschiedene Feldgeräte einer Anlage miteinander verbindet. Dabei handelt es sich meist um Sensoren, die irgendeine Umweltveränderung wahrnehmen, und Aktoren, die aktiv die Umwelt verändern. Diese Erklärung ist natürlich alles andere als einfach zu verstehen, weshalb wir das ganze am Beispiel eines Autos vereinfacht darstellen wollen. Man stelle sich z.B. ein älteres Fahrzeug vor, das noch ohne große technische Ausstattung auskommt und betrachte die Beleuchtung:
Wenn es am Abend dunkel wird greift der Fahrer (in diesem Fall der Sensor) zum Lichtschalter  und schaltet die Beleuchtung ein. Der Stromkreis wird dadurch geschlossen, wodurch Strom von der Batterie zu den Front- und Heckleuchten (hier den Aktoren) fließt und diese zu leuchten beginnen. Die Verkabelung der Leuchten mit dem Schalter und der Batterie kann dabei entweder parallel oder seriell erfolgen. So wird bei einer seriellen Verdrahtung  die Leitung bei jedem Sensor und Aktor vorbeigeführt, während bei der parallelen Verdrahtung jeweils eine Leitung vom Steuergerät zu den Sensoren und Aktoren geführt wird. Doch wo kommt jetzt der Feldbus ins Spiel?

Schaut man sich neuere Straßenfahrzeuge an, besitzen diese immer mehr elektronische Assistenzfunktionen wie z.B. Einparkhilfen, Helligkeitssensoren, Zentralverriegelung, Spurhalteassistenten oder Regensensoren, die alle aus Sensoren und Aktoren bestehen. Stellt also die Verkabelung z.B. eines Golf II noch keine große Herausforderung dar, hat sich das in den letzten Jahren definitiv geändert. Bei den heutigen Automobilen ist die Verkabelung mit einem großen Aufwand bei Projektierung, Installation, Inbetriebnahme und Wartung verbunden. Außerdem würde ein klassischer Kabelbaum mit parallel Verdrahtung bei einem modernen Auto das Gesamtgewicht sehr stark erhöhen und somit auch den Energieverbrauch in die Höhe treiben.

Der Feldbus: Die Lösung des Problems?

Deshalb wurde in den 80er Jahren die Entwicklung der ersten Feldbusgeneration in Angriff genommen, um die übliche Parallelverdrahtung abzulösen. Dieser Feldbus verwendet ein einziges Buskabel, welches alle Aktoren, Sensoren und Steuergeräte durchläuft. Somit werden alle im Feld vorhandenen Geräte, unabhängig von der Art des Geräts durch den Feldbus miteinander verbunden. In der Automobiltechnik erhielt diese Technik den Einzug mit der Serieneinführung des CAN-Bus (einer Art des Feldbus), in der Produktion der S-Klasse von Mercedes im Jahr 1992. Heutzutage findet sich ein solcher Feldbus in nahezu allen moderneren Straßenfahrzeugen.

Der Siegeszug des Feldbus beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Automobilindustrie, sondern auch auf andere Wirtschaftszweige, die auf eine Verbindung von elektronischen Geräten untereinander angewiesen sind. Das liegt vor allem an den diversen Vorteilen, die ein Feldbus mit sich bringt. So wird, wie schon angedeutet, der Aufwand für die Verkabelung stark minimiert, der Platzaufwand und damit auch das Gewicht der Kabelstränge reduziert, der Störungsschutz erhöht, die Möglichkeit zur Eigendiagnose ermöglicht und eine einfache Erweiterung unterstützt. Jedoch muss auch bedacht werden, dass bei einem Ausfall des Bussystems das Leitsystem von allen angeschlossenen Aktoren und Sensoren abgeschnitten wird. Dies macht möglicherweise den Einsatz einer zweiten, redundanten Busebene notwendig. Außerdem sind Komponenten mit integrierter Feldbusfunktionalität teurer in der Anschaffung.

Bei der gleichzeitigen Kommunikation verschiedener Geräte über nur eine Leitung, müssen bestimmte Regeln eingehalten werden, damit die gesendeten Nachrichten auch verständlich beim Empfänger ankommen. Deshalb muss festgelegt sein, wer (Kennung) was (Messwert oder Befehl) wann (Initiative) über die Busleitung sendet. Dies geschieht mit Hilfe von normierten Protokollen. Diese Normungen werden seit 1999 in drei verschiedenen internationalen Normen zusammengeführt.

Aufgrund von unterschiedlichen Ansätzen im Aufbau (Kabeltyp, Stecker, usw.) und verwendeten Protokollen hat sich eine große Vielfalt an Feldbussen herausgebildet, die alle unterschiedliche Stärken und Schwächen haben und deshalb in verschiedenen Bereichen zum Einsatz kommen. Die wichtigsten Feldbusse sind dabei der CAN-Bus mit seiner Weiterentwicklung CANopen, EtherCAT, EtherNet/IP, FlexRay-Bus oder PROFIBUS. Eine erweiterte Liste steht Ihnen z.B. auf Wikipedia zur Verfügung.

Fazit

Die Entwicklung des Feldbus kann als eine wichtige Triebkraft für das Zeitalter der Automatisierung gesehen werden. Viele aktuelle Anwendungen wären ohne die Benutzung eines Feldbus-Systems nicht zu realisieren oder schlichtweg unwirtschaftlich. Vor allem die Anwendungen der Industrie 4.0-Szenarien sind auf eine leistungsfähige Kommunikation angewiesen, was sich in der Entwicklung einer neuen Generation von Feldbussystemen bemerkbar macht. Dazu zählen vor allem die verschiedenen Ausprägungen des Industrial Ethernet.

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